Almacenamento de Calor e Mudança de Fase

Tecnologías

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SIN SIGLA

Ailyn Alexandra Balboa Seguel

15/5/2024

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A2 Almacenamos calor – Del depósito de agua a la fundición de sal Para profesores y profesoras

A2 Almacenamos calor – Del depósito de agua a la fundición de sal
Los aparatos y materiales alcanzan para realizar los experimentos en ocho grupos de alumnos a
la vez. Si se realizan todos los experimentos parciales según el orden propuesto se crea una base
para tener una unidad lectiva sobre el tema del calor, el almacenamiento del calor, la temperatura,
el cambio de fase (estado físico o de agregación), el calor de fundición y el calor latente. En estas
instrucciones encontrará indicaciones y sugerencias a modo de explicación y profundización.

1 Pregunta central
En muchos procesos técnicos y, en particular, en relación con las fuentes de energía renovables
o regenerativas se produce calor que con frecuencia se libera al medio ambiente sin ser
aprovechada. Una pregunta importante para el futuro es, por eso, cómo se puede almacenar y
aprovechar ese calor.
Con los experimentos aquí propuestos se muestra que el calor se puede almacenar durante
períodos más largos y de qué manera. La forma más fácil es con agua, más eficaz es hacerlo
con sales fundidas, que al cristalizar pueden liberar energía en grandes cantidades. Para ello se
investiga un cojín térmico comercialmente disponible, que está relleno de una sal de sodio de
ácido acético. Los alumnos y alumnas aprenden con estos experimentos que el calor, que no se
puede aprovechar al ser producido, no se tiene por qué perder al equilibrarse la temperatura con
la temperatura ambiente, sino que se puede aprovechar también más tarde. Aprenden a entender
según qué principios funcionan los depósitos de calor y temperatura (p. ej., los calentadores de
agua, los depósitos de calor estacionales) o los depósitos de calor latente (químicos), que trabajan
con sales fundidas. Desde un punto de vista metodológico aprenden a ejecutar mediciones
individuales y comparativas y a interpretarlas.

2 Integrar el experimento en el contexto educativo
2.1 Base científica
Mientras que los alumnos y alumnas conocen de sus vidas cotidianas la forma en que se pasa de
un estado sólido a uno líquido y luego a uno gaseoso, especialmente, en base al ejemplo del agua,
no siempre son conscientes de que con cada cambio de estado se produce energía. Los
experimentos sirven para basarse en estos conocimientos previos y entender en mayor profundidad
que el calor de fundición y evaporación también se puede aprovechar para almacenar energía.
Una forma de profundizar en el tema consiste en observar el nivel de partículas en las que se
interpreta el calor como movimiento o donde el orden juega un papel para el contenido energético
de una sustancia.

2.2 Relevancia en el plan de estudios
Los estados de agregación y las transformaciones son temas a tratar en los grupos de edad a
partir de los 13 años. La observación diferenciada de los equilibrios energéticos empieza ya en
una fase temprana, pero sólo posteriormente se ahonda en la materia.
Aún cuando el tema pertenezca tanto a las asignaturas de Física como de Química, plantea un
contenido que básicamente rebasa el marco de las disciplinas a título individual. En concreto,
estos experimentos pueden ser utilizados en ambas asignaturas, pero también en el marco de
proyectos que aborden los aspectos técnicos del almacenamiento de calor.
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Básicamente se trata del posible aprovechamiento del calor a través del almacenamiento, usando
materiales adecuados. Desde un punto de vista técnico, el concepto de los estados de agregación
con sus transformaciones y la producción de energía correspondiente son el tema prioritario a
examinar.

Temas y terminología: Los estados de agregación (sólido, líquido, gaseoso), el equilibrio
energético, el efecto entrópico, la energía reticular, el aislamiento, la cristalización, el calor de
cristalización, cristalizar, el almacenamiento del calor latente, el acetato de sodio, el rango, el
cambio de fase, las sales fundidas, el calor de fundición, el modelo de partículas del calor, la
temperatura, el perfil de la temperatura, la hipotermia o el enfriamiento excesivo, el calor de
evaporación, el calor, el aislamiento térmico, la capacidad térmica, el almacenamiento térmico

2.3 Conocimientos a adquirir
Los alumnos y alumnas ...
 aprenden a entender el paso de un estado de agregación líquido a uno sólido como
causa de la liberación de calor.
 reconocen en ello la posibilidad de almacenar el calor producido para poder
aprovecharlo más tarde.
 aprenden a entender que todos los cambios entre los estados de agregación están
relacionados con equilibrios energéticos.

2.4 El experimento en el contexto explicativo
Se proponen aquí dos veces dos experimentos:
 Los dos primeros abordan la posibilidad de almacenar el calor mediante el agua.
 Los dos experimentos siguientes utilizan un cojín térmico comercialmente disponible o
su contenido (una sal de sodio de ácido acético) para demostrar la producción de
energía al cambiar de estado de agregación (en este caso, la cristalización).

2.4.1 Experimento parcial 1: El agua para almacenar el calor – No sólo el té se enfría
Gracias a su gran capacidad de absorber calor, el agua puede almacenar muy bien el calor.
Sin embargo, el agua sin aislamiento cede calor continuamente al entorno hasta que se haya
equilibrado la temperatura. Los alumnos y alumnas deben observar el perfil de la temperatura
partiendo de agua a aprox. 60 ºC mediante mediciones, apuntar los valores medidos en una tabla
y a partir de ellos elaborar gráficas (la temperatura en relación con el tiempo). Basándose en la
gráfica se dan cuenta de que la temperatura del agua baja.

2.4.2 Experimento parcial 2: El agua como acumulador eficaz de calor – El agua puede
permanecer caliente durante más tiempo si ...
Para poder utilizar el calor almacenado en agua durante más tiempo, hay que aislar el recipiente
en cuestión de la mejor manera posible. Los alumnos y alumnas deben repetir para ello el
experimento parcial 1 y probar diferentes materiales disponibles de forma cotidiana. El perfil de la
temperatura da pautas sobre si el aislamiento térmico es bueno o malo y las posibilidades
prácticas de almacenar el calor. Si el material escogido sirve para aislar bien, la temperatura
disminuirá más lentamente que sin aislamiento.

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2.4.3 Experimento parcial 3: Calor para dedos fríos – ¿Sirve el cojín térmico para almacenar
el calor?
El primer experimento sobre el calor de fundición o cristalización se basa en el fenómeno de que
un cojín térmico con contenido líquido se calienta al cristalizar y cede temperatura durante un
período prolongado a una temperatura constante. El hecho de que para que se funda un material
sólido hay que añadir energía (en forma de calor) es algo que conocen los alumnos y alumnas (la
cera de las velas). En cambio, lo que resulta sorprendente es el proceso a la inversa, es decir, que
al cristalizar o al volverse sólido se libere calor. Este efecto se puede observar muy bien en el
cojín térmico, dado que el líquido utilizado es una masa líquida muy enfriada, que sólo se cristaliza
al doblar la plaquita metálica. (Al doblar se forman los gérmenes de cristalización necesarios, algo
similar a cuando uno raya con una varilla de vidrio, véase el experimento parcial 4).
El experimento puede ser repetido cuantas veces se quiera, poniendo el cojín térmico en agua muy
caliente durante aprox. 10 minutos o hasta que se fundanpor completo los cristales (aprox. 90 ºC).
(Es conveniente que el profesor o la profesora lo prepare con un hervidor de agua antes de realizar
el experimento o después del mismo).

2.4.4 Experimento parcial 4: La forma de almacenar el calor del cojín térmico – Una sal a
veces sólida y a veces líquida
Para investigar más detenidamente los procesos se puede abrir un cojín térmico. Una parte del
contenido se puede colocar en un tubo de ensayo, hacer que se funda y después de que se enfríe
al frotarlo con una varilla de vidrio hacer que cristalice. Al hacerlo miden cómo cambia la
temperatura.
Se observa que al solidificarse siempre se alcanza la misma temperatura (según el tipo de cojín
térmico, aprox. 50 ºC hasta 58 ºC), lo que corresponde al punto de fundición de la materia sólida.
(En realidad, los valores medidos en el experimento son por lo general inferiores debido a la
pérdida de calor).
Este experimento sólo se puede repetir en ciertas condiciones, dado que al calentar siempre se
pierde algo de agua. Por ello cambia la composición de materia fundida y sólida hasta que al final
ya no se forma un líquido transparente.
Atención: Lo mejor es que el propio profesor o la profesora abra un cojín térmico cristalizado y
reparta la sal entre los alumnos y alumnas. El resto de la sal se puede conservar en un recipiente
bien cerrado y puede ser utilizada con otras clases. (Si hace falta se puede añadir de vez en
cuando un par de gotas de agua para compensar la pérdida por evaporación). Como se
suministran nueve cojines térmicos siempre hay suficientes para ocho grupos de alumnos.

2.4.5 Información básica sobre el cojín térmico
La materia sólida utilizada es por lo general trihidrato de acetato de sodio con un punto de
fundición de 58 ºC. (En los comercios debido al peligro de quemaduras se ha modificado el relleno
de los cojines térmicos, de forma que el punto de fundición suele rondar los 50 ºC). Mientras que
la mayoría de las demás sales tienden a formar de forma espontánea gérmenes y a cristalizarse
(y, posteriormente, no pueden enfriarse bien en estado fundido), esta sal permanece líquida
durante más tiempo también a temperaturas inferiores. En caso de que en nuestro experimento no
se llegue exactamente a los 58 ºC se deberá a las condiciones de medición o a la composición del
cojín térmico.
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Una curva típica de los valores de medición con el cojín térmico sería la siguiente:

T [°C]

Fig. 1: La curva de temperatura de un cojín térmico.

Desde un punto de vista de la Física o Química, la explicación del equilibrio energético, o de la
liberación de calor en este caso, es un poco más complicada. Se trata del efecto entrópico, dado
que el orden de las partículas en la materia sólida es considerablemente mayor que en estado
fundido. No obstante, este enfoque solo tiene una importancia relativa para la clase dirigida a
alumnos y alumnas de 13 a 16 años.
También resulta interesante aclarar la cuestión de por qué se desencadena la cristalización al
doblar una plaquita de metal o al rayar con una varilla de vidrio. La cristalización es fácil de
entender en pequeñas partículas externas en forma de gérmenes de cristalización, en las que
crecen los primeros átomos de la sustancia que cristaliza. (Este efecto se utiliza con frecuencia en
la fundición de metales). Pero también funciona sin partículas externas. ¿Qué sucede entonces al
doblar la plaquita de metal? Una “explicación” ampliamente difundida consiste en que los
nanocristales de la sal depositados en el metal son los que causan la cristalización al doblarlo.
Esto se contradice con el hecho de que la cristalización también se desencadena al frotar la
plaquita con una varilla de vidrio no utilizada y sin nanocristales (véase el experimento parcial 4).
Si se transfieren los conocimientos relativos a la cristalización de metales obtenidos en la teoría
de los materiales a la disolución de la cristalización de sales fundidas se llega a una explicación
diferente: Las ondas de choque producidas al doblar o rayar el cojín térmico hacen que algunos
iones se aproximen tanto que forman conglomerados, llamados “centros energéticos”, que a su
vez actúan como núcleos de cristalización.

Advertencias importantes:
Iniciar la cristalización:
En el experimento parcial 3 (El cojín térmico) hay que procurar que la plaquita de metal no se
doble tan fuertemente como para que se quiebre. Para iniciar la cristalización en un cojín térmico
intacto basta con doblar la plaquita suavemente, de forma que se oiga un chasquido o que se
sienta el doblez.

El cojín térmico ya está cristalizado:
Es posible que debido a la presión, a algún golpe o a vibraciones durante el transporte el
contenido del cojín térmico ya no esté en estado líquido antes de ser utilizado por primera vez.
En ese caso el profesor o la profesora debería regenerarlo en un hervidor de agua como se
describe en el punto 4.5. Después de hacerlo tendrían que funcionar sin ningún problema.

0
[°
C
]
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2.5 Variantes de ejecución
 Todos los experimentos pueden ser realizados de forma individual o en pequeños
grupos. La medición de la evolución de la temperatura debería realizarse en grupos de
al menos dos alumnos, a fin de que uno se pueda ocupar de leer y el otro de anotar los
valores de medición.
 Para obtener una medición que pueda reproducirse bien en el experimento parcial 3, es
conveniente trabajar sobre una base aisladora (p. ej., un cartón), colocar el cojín térmico
alrededor del sensor del aparato de medición y en caso necesario fijar todo con una
banda elástica (o atarlo con un hilo).
 Si su escuela dispone de suficientes tubos de ensayo con tapón después de terminar el
experimento parcial 4 se puede tapar el tubo de ensayo con el acetato de sodio
cristalizado. Si se conserva de esta forma el acetato de sodio se puede volver a utilizar
repetidamente.
 Los experimentos parciales 1 y 3 deberían ser realizados siguiendo las instrucciones.
El experimento parcial 2 también podrían desarrollarlo y realizarlo los propios alumnos y
alumnas. Al proceder de esta forma se brinda una buena posibilidad de aplicar métodos
de trabajo científicos. A fin de conseguir en el experimento parcial 2 un buen aislamiento
del tubo de ensayo con el agua caliente, hay que probar diferentes materiales aisladores.
Si se coloca un paño de lana alrededor del tubo de ensayo sólo se consigue que la
temperatura en un lapso de 20 minutos baje 3 ºC menos que si no se le pusiera
aislamiento alguno (véase la tabla).

temperatura
inicial
después
de 3 min.
después
de 6 min.
después
de 9 min.
después
de 12 min.
después
de 15 min.
después
de 18 min.
agua en el tubo
de ensayo
46,5 °C 41,4 °C 37,6 °C 35,1 °C 32,5 °C 30,3 °C 28,5 °C
con paño
de lana
47,4 °C 43,5 °C 40,5 °C 37,9 °C 35,5 °C 33,5 °C 31,6 °C

 Para ahondar en el concepto de absorción de calor en la fundición, se pueden apuntar
los cambios de temperatura al calentar una mezcla de agua y hielo: mientras queda un
resto de hielo, la temperatura de la mezcla se mantiene en 0 ºC. Como experimento
demostrativo también sirven igualmente la ebullición y la evaporación del agua. Aquí la
temperatura del líquido permanece hasta el final en 100 ºC (o según la altura y la
presión atmosférica por debajo de 100 ºC).
 Con alumnos y alumnas mayores o en clases superiores se puede examinar también la
explicación del calor a nivel de las partículas.
 En todo caso hay que abordar el tema de las posibles aplicaciones técnicas y prácticas
del almacenamiento de calora largo plazo. De esta forma, ya hoy en día se utiliza para
la calefacción de edificios de oficinas modernos una forma de almacenamiento del calor
según las estaciones del año: En verano el sol calienta el agua que se almacena en
receptores subterráneos de gravilla bien aislados. En invierno esta agua cede el calor a
los sistemas de la calefacción.
El calor se puede almacenar también con otras sales diferentes del acetato de sodio en
otras gamas de temperatura. En la actualidad se utilizan mezclas de sal de alta fusión
de hasta aprox. 800 ºC. Entonces la energía se utiliza con frecuencia para alimentar un
proceso técnico como, p. ej., para el calentamiento previo de una sustancia antes de
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una reacción química. También en las centrales solares térmicas como la de Andasol en
el Sur de España se almacena el calor con sales fundibles. Con una mezcla de nitrato
de sodio y potasio que se funde a aprox. 400 ºC la central funciona también por la noche
y sin sol durante otras 7 horas con plena potencia.

3 Informaciones adicionales sobre el experimento
Para preparar y/o profundizar este experimento encontrará información complementaria en el
Portal de Medios de la Siemens Stiftung:
https://medienportal.siemens-stiftung.org

4 Observaciones sobre la realización del experimento
4.1 Lugar en el que se realiza el experimento
No se requiere un lugar especial para realizar los experimentos.

4.2 Tiempo necesario
preparación y realización
Experimento parcial 1 20 – 30 min., para la preparación 5 min.
Experimento parcial 2 según el grupo de aprendizaje y la variación 20 min. hasta una hora lectiva
Experimento parcial 3 10 min. incl. la preparación
Experimento parcial 4 15 min. incl. la preparación

4.3 Advertencias de seguridad
Los experimentos sólo pueden ser realizados bajo la vigilancia del profesor o de la profesora. Hay
que advertir a los alumnos y alumnas que los materiales suministrados sólo se deben utilizar
siguiendo las instrucciones correspondientes.
En estos experimentos tenga en cuenta los siguientes peligros posibles y llame la atención de los
alumnos y alumnas a este respecto:
 Procure que los materiales y aparatos no se dañen a causa del agua.
 Hay peligro de quemaduras y de incendio al trabajar con fuego. Antes de utilizar por
primera vez los encendedores el profesor o la profesora tiene que controlar que
funcionen bien, especialmente la regulación de la altura de la llama.
 Al utilizar agua caliente (experimentos parciales 1 y 2) hay peligro de quemaduras.
 Es demasiado peligroso utilizar agua hirviendo para la regeneración del cojín térmico
(experimento parcial 3) en una clase normal y en la mesa de los alumnos. Por esta
razón, el profesor mismo debe ocuparse de la regeneración del cojín térmico antes o
después del experimento parcial 3 (lo mejor es regenerar todos los cojines térmicos al
mismo tiempo).
 Tampoco se debe cortar el cojín térmico sin que esté presente el profesor, lo mejor es
que el profesor o la profesora se encargue de hacerlo. Sin embargo, el trihidrato de
acetato de sodio así como el acetato de sodio sin agua no se considera peligroso.
 ¡Para manipular la sal fundida los alumnos y alumnas deben ponerse las gafas
protectoras! Si no fuera suficiente con las 16 gafas protectoras suministradas en la caja
se pueden completar con alguna que tenga su colegio.

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4.4 Aparatos y materiales
A adquirir o preparar previamente:
En caso de que el profesor o la profesora quiera mostrar cómo se regenera el cojín térmico se
requiere agua hirviendo. Para ello lo mejor es utilizar un hervidor de agua eléctrico con un
elemento calentador cubierto. Se colocan en el hervidor los cojines térmicos, se hace hervir el
agua y se dejan durante 10 minutos en agua caliente.
Además, por grupo se requiere un reloj de pulsera con segundero o un cronómetro así como un
encendedor (de ser posible un encendedor de llama) o fósforos.
Para los experimentos 2 y 3 debe disponerse de materiales aisladores como, p. ej., un guante de
goma, una bufanda, cartón, una placa de estiropor o algo similar.
Si ya se ha realizado una vez el experimento debería usarse la sal del cojín térmico cortado.

Incluido en el suministro:
Los aparatos y materiales entregados son suficientes para que ocho grupos de alumnos realicen
el experimento en paralelo.
Los materiales y aparatos importantes para la seguridad deben ser controlados antes de
entregárselos a los alumnos y alumnos para comprobar que funcionen correctamente.
Para un grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja:

material cantidad
termómetro digital* 1x
palito de cristal 1x
banda elástica 2x
cuchara de café 1x
clip para plantas (para fijar el tubo de ensayo) 1x
tubo de ensayo de vidrio, 13 cm 2x
gancho para tubo de ensayo de madera 1x
gafas protectoras 1x**
jeringuilla (inyección cónica), 5 ml (como pipeta) 1x
velita de té 1x
cojín térmico (con sales fundibles) 1x

*Antes de utilizarlo la primera vez, quitarle la capa protectora de plástico. Para prender el
termómetro oprimir el botón “on/off”. Después de realizado el experimento volver a apagar el
termómetro presionando nuevamente el botón “on/off”. Al presionar el botón “°C/°F” se puede
cambiar la escala de temperatura de grados centígrados a Fahrenheit.
**En total se suministran 16 gafas protectoras para todos los alumnos y alumnas en todos los
grupos. Si participaran más alumnos y alumnas en los experimentos, si hace falta hay que
conseguir gafas protectoras de la escuela.
Atención: Si se realiza el experimento parcial 4 por primera vez hay que cortar el cojín térmico.
Se va a “gastar” un cojín térmico. Por ello se suministra un cojín térmico adicional (el noveno) en
la caja. El contenido del cojín térmico debe conservarse (véase el punto 2.4.4), de forma que al
realizar el experimento con otros grupos de alumnos no se tenga que volver a “gastar” otro más.

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Fig. 2: Aparatos y materiales incluidos en el suministro para un grupo de alumnos.

4.5 Poner orden, eliminar residuos, reciclar
Todos los aparatos y casi todos los materiales suministrados en la caja se pueden reutilizar. Por
ello debería asegurarse de que al concluir cada experimento vuelvan a colocar todo en la caja
correspondiente. Así estará seguro de que Ud. y sus colegas encuentren todo rápidamente
cuando lo quieran volver a utilizar.
Los aparatos que se hayan ensuciado al realizar los experimentos, como, p. ej., vasos,
recipientes, cucharas, tubos de ensayo, deberían ser limpiados antes de colocarlos en las cajas.
Lo más fácil es que los alumnos y alumnas se ocupen de hacerlo al finalizar el experimento.
Además, asegúrese de que los aparatos estén listos para ser utilizados en la próxima ocasión.
Por ejemplo, hay que poner a cargar las pilas usadas. (También es recomendable cuando no
se han usado las pilas desde hace tiempo).
Los materiales no reciclables como, p. ej., las barritas de medición del valor pH o el papel de
filtro, deben ser tirados a la basura correspondiente.
Los residuos resultantes de este experimento se pueden tirar a la basura normal o por el desagüe.
Advertencia sobre la regeneración del cojín térmico: La regeneración requiere cierto tiempo:
Después de colocar el cojín en agua hirviendo hay que esperar 10 – 15 minutos hasta que se
funda toda la sal. Después hay que dejar que elcojín se vuelva a enfriar hasta alcanzar la
temperatura ambiente, lo que según la temperatura que haga puede durar unos 30 minutos o
más. ¡Pero no se debe tratar de acelerar el proceso con agua fría, porque entonces con
frecuencia sucede que se enfría demasiado y el cojín vuelve a cristalizarse inmediatamente!